泥石流浆体冲击拦砂坝荷载计算的实验研究*

泥石流冲击力大小是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,泥石流对拦砂坝的冲击力计算还存在很大争议。本文通过在拦砂坝上安装冲击力传感器测量冲击力值,详细分析不同容重泥石流,不同沟道坡度及不同拦砂坝迎水面倾角等因素下泥石流对拦砂坝坝体的冲击作用。研究表明,影响泥石流浆体冲击力大小的主要因素有泥石流容重、沟床坡度和泥石流流速;在沟道坡度和泥石流总量相同时,泥石流浆体冲击力大小随泥石流容重的增加而降低;在泥石流容重不变时,随沟道坡度的增加而增加;泥石流容重和沟道坡度的影响主要反映到泥石流流速的变化中,推导出新的泥石流浆体冲击力大小计算公式;该公式表明,泥石流浆体冲击力大小同泥石流表面流速呈正比例关系,而比例系数因泥石流容重的不同而不同。分析比较了新公式同原有公式的差异,并举例说明了新计算公式的实用价值,为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

泥石流区桥墩损毁机制与控制研究

为了保证安全,泥石流多发区的道路常采用桥梁的方式通过。位于泥石流区的桥梁的桥墩在泥石流暴发时受到泥石流的冲击,常会造成不同程度的损毁。泥石流冲击力是泥石流区桥墩受到的主要荷载,目前在计算泥石流冲击力时一般将其视为均质体,但是泥石流为固液两相流体,因此得到的计算结果误差较大。为了提高精确度,本文对泥石流冲击力计算公式进行了修正,先分别运用动力学中的弹性碰撞理论和牛顿第二定律对泥石流固相和液相的冲击力进行计算,然后将其进行叠加,得到总的泥石流冲击力。泥石流区桥墩破坏的模式主要有冲击破坏、倾覆破坏和滑动破坏3种形式。为了减小泥石流对桥墩的破坏能,可在桥墩受到泥石流冲击的部位设置消能层,通过算例发现,设置消能层后冲击力减小了26.94%。     

颗粒流冲击力研究现状及讨论∗

颗粒流包括滑坡、泥石流、碎屑流、雪崩等,通常对桥梁、公路、居民区具有较大危害。分析了颗粒流的运动过程及其侵蚀、堆积和爬高等特性;此外,对颗粒流冲击力计算模型及其野外观测结果进行阐述。结果表明:现有冲击力计算模型认为冲击力在结构全断面呈均匀分布,忽略了颗粒流的运动特性对冲击力的影响;大块石冲击力计算忽略了颗粒破碎和浆体垫层效应对冲击力的影响,造成巨大的计算误差;由于传统传感器的缺陷,现有野外观测结果也存在较大误差。对此本文提出野外观测需要通过引入或开发新式压力传感器以得到更准确的颗粒流冲击力大小及其分布形式,从而更精确的修正理论模型;理论计算模型研究工作需要考虑颗粒流浆体的垫层效应、流体与基底的相互作用及块石冲击破碎等对流体冲击力的影响,从而推导出更准确的冲击力计算模型,指导工程实际。     

蒋家沟阵性泥石流输沙规律研究

阵性运动是粘性泥石流运动的主要形式,以蒋家沟5a中20次具有完整观测资料的典型阵性泥石流作为基础数据,对阵性泥石流输沙量、输沙级配变化进行了初步分析。分析发现阵性泥石流输沙量变化具有两种模式,输沙量峰值一般出现在阵次序列前期或序列中期。不同阵次泥石流颗粒级配曲线具有相似的特征。随着阵流的发展,泥石流细颗粒含量增加,粗颗粒含量不断减少,中值粒径、峰度系数、和质量密度总体均呈减小趋势;出现连续流时,粘粒含量不断增加,质量密度迅速减小,0.01 mm可以作为划分阵性泥石流颗粒的临界分维粒径,大于和小于该粒径的颗粒组成均具有较好的分形特征,其对于泥石流流态具有重要的意义。     

粘性泥石流体阵性流形成机理研究

通过粘性泥石流体阵性流的野外观测 ,和应用最新研制的大型平板旋转式泥石流流变仪测定粘性泥石流体的应力应变特性 ,发现含有砾石的粘性泥石流体启动时具有明显的应力过冲特征。这种应力过冲特征 ,与由粘性介质阻力形变初期的剪切稀化和高浓度粗细颗粒相互挤压的内摩擦力共同组成的泥石流体的应力滞后特性 (抗剪强度 )有关。根据所测定的粘性泥石流体的准静摩擦角、正压力和动摩擦系数 ,通过剪切面上流动坡度的推导与泥石流体启动高度的演算 ,并与粘性泥石流体阵性流观测资料进行对比 ,初步揭示了粘性泥石流体阵性流的形成机理。     

泥石流体的流变和冲淤特征及其与危险度的关系

从泥石流体流变特性的分析入手,深入地探讨了蒋家沟泥石流阵性流的淤积和冲刷特征。其冲淤变化特征与泥石流体的浓度特性和规模大小的发展过程有很大的关系。根据这些分析,可以将泥石流的危害划分为侵蚀和堆积两大类,并可能进一步完善泥石流危险度的评估。     

阵性泥石流运动与堆积的欧拉─拉格朗日模型──Ⅰ.理论

自然界中的泥石流具有突发性和非恒定性的特点。为了模拟典型泥石流现象，在流团模型的 基础上，进一步完善了基于欧拉─拉格朗日（Ｅ—Ｌ）观点的ＰＩＣ（Ｐａｒｃｅｌ　Ｉｎ　Ｃｅｌｌ）算法，细化了流元结 构，建立了能够模拟典型阵性泥石流发生、运动和堆积的准结构两相流模型。求解该模型不仅可以 模拟泥石流运动过程，而且可以对泥石流的堆积过程、停积形态、冲刷特征及泥石流中多组分颗粒 的分选特征进行定量描述。     

基于Fluent强震区王家沟泥石流运动特征研究

为研究泥石流的运动特征,该文首次引入计算流体动力学软件Fluent,模拟研究泥石流在流通区和堆积区的运动状态及流体的液面范围。现场调查清水乡王家沟泥石流的基本特征,分析该泥石流的致灾因素。通过无人机拍摄获取流域DEM图,利用ArcGis、Mapgis、Auto CAD、Ansys等软件建立计算模型,将现场调查得到的泥石流降雨量、重度等相关参数导入Fluent软件中,进行泥石流的数值模拟。模拟结果显示,王家沟泥石流最大流速12.30 m/s,主要发生在流通区下游沟道拐弯处。泥石流沟道越窄,地形越陡,流速越大;泥石流流到堆积区时开始减速,并沿沟道左岸漫流堆积。该泥石流的威胁对象主要为流体左侧沟口居民区及S306省道枢纽。     

基于SPH-DEM的泥石流冲击刚性防护结构的动力过程研究

泥石流为含有大量泥沙与石块的固液两相混合物,对于山区基础设施安全威胁巨大。在当前的防灾工程中,防护结构常被用于拦截泥石流。然而,目前对泥石流与防护结构的相互作用机理仍缺乏认识。为此,采用耦合的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)和离散单元法(discrete element method, DEM)数值模型模拟了水槽试验中含有石块的泥石流运动,其中SPH模拟泥石流中的黏性流体,DEM模拟泥石流中的石块,分析了泥石流对刚性防护结构的冲击过程及冲击力。模拟结果表明,随着水槽倾角由0°依次增长为8°、15°、24°、30°,峰值冲击力增长倍数依次为2.59、4.75、8.88、11.45,倾角越大其峰值冲击力的增长率越大;而随着流体体积的增大,其峰值冲击力增长率也逐渐变大,相较V=0.024 m³分别增长了0.79倍、1.64倍、3.20倍和4.56倍,但是稳定下来的静态冲击力基本与体积的变化成正比,而石块粒径对峰值水面高程的影响更显著。研究成果为泥石流防护结构的强度设计提供了理论支撑。     

阵性泥石流运动与堆积的欧拉-拉格朗日模型——Ⅰ.理论

自然界中的混石流具有突发性和非恒定性的特点。为了模拟典型泥石流现象，在流团模型的基础上，进一步完善了基于欧拉－拉格朗日（Ｅ－Ｌ）观点的ＰＩＣ（Ｐａｒｃｅｌ Ｉｎ Ｃｅｌｌ）算法，细化了流元结构，建立了能够模拟典型阵性泥石流发生、运动和堆积的准结构两相流模型，求解该模型不仅可以模拟泥石流运动过程，而且可以对泥石流的堆积过程、停积形态、冲刷特征及泥石流中多组分颗粒的分选特征进行定量描述。     

泥石流的运动机理和减阻

野外调查研究发现,存在着两种具有不同动力学特征和机理的泥石流,粘滞性泥石流和两相泥石流,粘滞性泥石流由卵石、沙和粘土构成,难以区分固相和液相,为典型的非牛顿体,具有间歇性流动,“铺床现象”,高达60％的减阻和显著超高等流动特点,粘滞性泥石流的阻力远小于流变参数所代表的阻力,传统的利用本构方程研究阻力的方法不能解决问题,研究表明,其30％的减阻是由于铺床作用,另外20％－30％,是由于流动混合物充气所致,两相泥石流主要由粗颗粒物质构成,两相之间有明显的相对流动,显示较大的阻力和发生“石街”现象。粘滞性泥石流沟谷的中值坡度为0．16,两相泥石流阻力大,因而河谷的平均坡度较大（0．19－0．27）。     

根据阵流估计泥石流堆积参数

泥石流堆积是泥石流产生灾害的主要方式，也是进行泥石流灾害评估的主要依据。根据泥石流堆积的形态特征提出了堆积的元过程叠加，将堆积与间歇性的阵流运动联系起来；利用近20年来蒋家沟泥石流阵流序列的观测数据，估计了堆积的相关因子，如速度、流深、流量、堆积厚度等。这些因子表现出一定的频率分布特征，它可能改变过去确定论的泥石流观念，同时也为提出新的泥石流评估模式提供了定量的依据。     

粘性泥石流阵性运动对沟床冲淤演变的影响--以云南东川蒋家沟为例

粘性泥石流沟床的冲淤具有其特殊的机理,年内及一场泥石流的沟床冲淤主要受泥石流体性质、流型、规模的控制,阵性运动中沟床演变主要反映在残留层厚度的变化。对云南东川蒋家沟进行野外现场泥石流及沟床冲淤的定位观测,应用观测资料对阵性粘性泥石流泥深、流速、拖曳力与沟床冲淤值的关系进行分析,认为在泥深<2.0m,流速<8m/s,流量<1500m3/s情况下,阵性泥石流运动前后沟床冲淤值与三者没有明显线性关系,沟床冲淤幅度较小,一般在-0.8~1.0m之间。通过分析,求得粘性泥石流沟床冲刷深度极限值的表达式。     

美姑河牛牛坝水电站库区泥石流基本特征

金沙江支流美姑河牛牛坝水电站库区泥石流沟分布面积广、发生频率高。调查结果表明库区现有不同类型泥石流沟31条,其中属于高度危险的泥石流沟4条,中度危险的泥石流沟15条。本文对流域面积较大、活动性较强的12条泥石流的容重、设计流速、流量、冲出量等重要工程参数进行了计算,并对水库蓄水后的泥石流沟状况与发展趋势作了进一步分析,研究表明在水库施工期泥石流灾害对工程建设有较严重的影响,特别是靠近库首的泥石流对工程的安全构成威胁。水库蓄水后,库区泥石流活动程度有所降低,不会明显影响水电站正常运行。     

泥石流大块石冲击力的简化计算

泥石流对构筑物的冲击破坏,常常是由泥石流中的大块石冲击所致,因此大块石冲击力的计算在泥石流防治工程设计中就显得非常重要.但目前有关泥石流冲击力的计算方法都比较粗糙,计算结果偏大,计算过程繁琐,不便快速用于工程实践.为此,以弹塑性理论为基础,结合试验引入合理假设,提出了常见几类泥石流防治结构的冲击力计算方法,并给出了相应的计算公式.结果表明,泥石流防护结构的刚度对大块石的冲击力有重要影响,简支结构的吸能效果高于防撞墩.     

粘性泥石流一维运动数学模型

粘性泥石流是指自然界中最典型的一种泥石流。作者依据野外原型观测和室内实验，证实该类流体具有带流核的层流特征并可用宾汉（Ｂｉｎｇｈａｍ）模型来表达。在此基础上推导其阻力和平均流速计算方法。我们认为，粘性泥石流作为不可压缩连续介质流体，符合质量、动量守恒律，因此可采用纳维－斯托克斯方程组来表达。考虑到它为拟线性双曲型偏微分方程组和阻力参数等特点，应用Ｌａｘ－Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ差分格式，选用云南东川蒋家沟的原型观测资料作为边、初值条件，编制计算机程序及数据库，而获得粘性泥石流水深、流速等要素的时空变化规律。该模型可以直接用于泥石流工程防治和量化的预测和警报     

格宾-柔性网泥石流组合拦阻结构模型试验研究*

引用新型的柔性拦阻网和格宾结构被认为是泥石流治理工程的新趋势。基于泥石流模型试验,设置了一道格宾和一道柔性网,组成了格宾-柔性网组合结构,通过分析拦阻结构迎水面的冲击力和被拦阻物源的级配组成,结果表明:(1)泥石流格宾-柔性网组合的拦阻效果明显,既具有快速排水的优点,也具有将固体物质拦截的特点;(2)拦阻结构的孔隙率对被拦截物源的粒径有分选作用,根据不同的泥石流类型,可以调整拦挡结构的孔隙率,以达到最好的拦挡效果;(3)拦阻结构底部受力比较大,冲击力从底部向上逐渐减小。第一道拦阻结构(柔性网)上不同位置处的冲击力相差最大,第二道拦阻结构(格宾)不同位置冲击力相差较小。